摘要：器官芯片模型正在成为肿瘤免疫治疗临床前研究中的重要体外技术工具。本文围绕基于PhysioMimix系统构建的3D灌流黑色素瘤芯片模型，梳理其在血管内皮屏障重建、肿瘤微环境模拟、CAR-T细胞跨内皮迁移、肿瘤浸润和细胞毒性评价中的技术路线。该模型通过HUVEC内皮屏障、SK-MEL-5黑色素瘤细胞和抗HLA-G CAR-T细胞的组合，在动态灌流条件下复现免疫细胞进入肿瘤区域前后所经历的关键过程，可为实体瘤细胞治疗方案优化、体外药效评估和临床前安全性研究提供参考。

**关键词：器官芯片、Organ-on-Chip、CAR-T细胞、CAR-T疗法、免疫细胞迁移、黑色素瘤、血管内皮屏障、肿瘤微环境、免疫治疗、体外药效评估、抗HLA-G、PhysioMimix、Cancer-on-a-chip**

器官芯片技术通过微流控、三维培养、动态灌流和多细胞共培养等方式，在体外重建更接近人体组织环境的实验模型，近年来逐渐被应用于药物评价、毒性研究、肿瘤微环境模拟和免疫治疗机制研究。在肿瘤免疫治疗领域，尤其是CAR-T细胞疗法进入实体瘤研究场景后，传统二维细胞实验很难完整反映免疫细胞在体内可能经历的关键过程，例如循环状态下的迁移、穿越血管内皮屏障、进入肿瘤区域、识别靶细胞并产生细胞毒作用等。对于实体瘤模型而言，肿瘤微环境中的物理屏障、血管内皮屏障、趋化因子梯度、灌流状态和细胞间相互作用，都会影响CAR-T细胞能否有效进入肿瘤组织并发挥作用，因此建立更接近生理环境的体外模型，对评估CAR-T细胞在实体瘤中的表现具有重要意义。

本文整理的内容来源于CNBio在2026年6月22日至24日于葡萄牙布拉加举行的EUROoCS Annual Meeting欧洲器官芯片年会上展示的研究海报。该项目属于Melomanes研究项目的一部分，研究方向是开发一种用于转移性黑色素瘤治疗研究的联合免疫治疗策略，其中涉及抗HLA-G CAR-T细胞以及能够诱导局部高温反应的磁性纳米颗粒。围绕这一研究目标，项目团队基于PhysioMimix系统构建了黑色素瘤器官芯片模型，通过动态培养基循环模拟血流相关环境，并结合Transwell双腔室结构建立人脐静脉内皮细胞屏障，用于观察CAR-T细胞在趋化因子调控下的迁移、跨内皮通行和肿瘤细胞杀伤过程。

![EUROoCS Annual Meeting2026（2026欧洲器官芯片年会）](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/869213e3b4f842cc6c27877e36209703.jpg)

图：EUROoCS Annual Meeting2026（2026欧洲器官芯片年会）

## 一、为什么CAR-T实体瘤研究需要更复杂的体外模型

CAR-T细胞疗法在血液系统肿瘤中已经形成较多研究基础，但在实体瘤场景中，其作用过程通常更加复杂。实体瘤不仅包含肿瘤细胞本身，还包括血管内皮细胞、基质成分、免疫抑制因子、趋化因子梯度、组织间隙压力和局部代谢环境等多重因素。CAR-T细胞如果要发挥有效杀伤作用，首先需要到达肿瘤区域，随后需要穿越血管内皮屏障，进一步浸润肿瘤组织，并在复杂微环境中保持活性。传统二维共培养实验通常可以直接评估CAR-T细胞与靶细胞接触后的杀伤结果，但它难以反映CAR-T细胞到达靶细胞之前所经历的迁移和屏障限制过程，因此对实体瘤药效和安全性研究的支持存在不足。

癌症芯片（Cancer-on-a-chip）模型的价值就在于，它可以在体外构建多细胞、多腔室和动态灌流环境，将免疫细胞、内皮屏障和肿瘤细胞置于更接近真实组织逻辑的空间关系中。对于CAR-T细胞疗法评估而言，这类模型不仅可以观察细胞毒作用，还可以进一步分析内皮屏障状态、炎症因子刺激、灌流条件、趋化因子信号和效靶比等因素如何影响CAR-T细胞的迁移与肿瘤细胞杀伤。相比只看终点杀伤率的传统共培养方法，器官芯片模型能够拆解“迁移—跨内皮—浸润—杀伤”这一连续过程，有助于更系统地理解CAR-T细胞在实体瘤环境中的作用限制。

## 二、黑色素瘤芯片模型的整体设计思路

本研究的黑色素瘤芯片模型基于PhysioMimix Core系统构建，核心设计是利用培养基循环模拟动态流体环境，并通过基于Transwell的双腔室结构建立可供免疫细胞跨越的内皮屏障。模型中使用人黑色素瘤细胞系SK-MEL-5作为肿瘤细胞模型，同时通过HUVEC构建人源血管内皮屏障，并进一步引入抗HLA-G CAR-T细胞，观察其在趋化因子调控、TNF-α刺激和灌流条件变化下的迁移与细胞毒作用。该模型的关键不是单独培养某一种细胞，而是通过多细胞体系和动态培养环境重建免疫治疗发生前后的关键步骤。

研究团队的目标包括多个方面。首先，需要利用SK-MEL-5细胞建立黑色素瘤芯片模型，使其能够作为CAR-T细胞作用的靶细胞体系。其次，需要构建由HUVEC组成的人源内皮屏障，并通过TNF-α刺激研究内皮活化后对屏障结构和免疫细胞迁移的影响。第三，需要评估基底侧灌流对内皮屏障形成的影响，因为动态流体环境会影响内皮细胞排列、屏障紧密程度和通透性表现。第四，需要评价趋化因子介导的CAR-T细胞运动能力及其跨越内皮层的迁移能力，并进一步分析这种迁移是否受到内皮活化状态影响。最后，研究还需要观察不同灌流条件和内皮活化状态下，CAR-T细胞对黑色素瘤靶细胞的细胞毒作用，从而判断该芯片模型是否能够支持实体瘤免疫治疗药效评价。

## 三、黑色素瘤芯片模型的建立方法

在模型建立过程中，研究团队利用PhysioMimix系统搭建效应细胞、内皮细胞和肿瘤细胞组合的器官芯片体系。HUVEC被接种在IV型胶原包被的Transwell膜上，并在0.5 μL/s的培养基灌流速率下培养48小时。IV型胶原包被的作用是为内皮细胞贴附和屏障结构形成提供合适的胞外基质环境，而灌流培养则用于模拟动态流体条件，使内皮细胞在更接近体内血管环境的状态下形成屏障结构。屏障形成后，研究团队通过免疫荧光染色、跨内皮电阻检测和FITC-dextran通透性检测等方式，综合评价内皮屏障的结构完整性和功能状态。

![黑色素瘤芯片模型的建立](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/fdad0bb5f1636c908199830cd90bdf59.jpg)

图1. 黑色素瘤芯片模型的建立

模型评价中使用了F-actin和ZO-1免疫荧光染色。F-actin可以反映细胞骨架结构变化，ZO-1则是内皮细胞间连接相关标志物，二者能够从形态学角度显示内皮细胞是否形成连续屏障。跨内皮电阻（TEER）可用于反映屏障电阻水平，通常屏障越完整，电阻值越高；4 kDa FITC-dextran细胞旁通透性检测则用于观察小分子荧光标记物穿过内皮屏障的能力，通透性越低通常说明屏障越紧密。通过这些指标组合，研究者可以从结构和功能两个层面判断HUVEC内皮屏障是否适合作为免疫细胞跨内皮迁移研究模型。

在肿瘤细胞部分，研究团队通过慢相关递送载体转导方式，使SK-MEL-5细胞稳定表达HLA-G，从而保证其细胞表面持续表达CAR-T细胞识别所需的靶抗原。HLA-G作为抗HLA-G CAR-T细胞识别的关键目标，其表达稳定性会影响后续细胞毒性评价结果。如果靶抗原表达不稳定，CAR-T细胞杀伤差异可能来自靶细胞自身抗原表达波动，而不一定来自内皮屏障、灌流条件或效靶比等实验变量。因此，稳定表达HLA-G的SK-MEL-5模型有助于提高后续药效评价数据的可解释性。

![黑色素瘤芯片模型生成的时间进程](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/b6060c2afe79a613f6f23e3b451a4333.jpg)

图2. 黑色素瘤芯片模型生成的时间进程

从模型生成时间进程来看，该体系并不是简单将肿瘤细胞和CAR-T细胞直接混合，而是需要先建立内皮屏障，再引入免疫细胞和肿瘤细胞评价模块。这样的流程更符合实体瘤免疫治疗研究的逻辑，因为CAR-T细胞在真实生理环境中通常需要先通过血管内皮，再进入肿瘤区域，而不是直接与肿瘤细胞充分接触。模型时间线的建立也有助于后续工艺标准化，使研究者能够在固定时间点比较内皮屏障成熟度、CAR-T迁移比例和肿瘤细胞死亡情况。

## 四、TNF-α刺激对内皮屏障状态的影响

研究结果显示，经TNF-α处理后，HUVEC内皮细胞出现VCAM-1表达上调，同时伴随细胞间黏附减弱、细胞形态改变和内皮层通透性增加。TNF-α是一类常用于诱导内皮活化状态的炎症相关因子，能够使内皮细胞从相对静息状态转变为更容易与免疫细胞发生相互作用的活化状态。VCAM-1表达上调说明内皮细胞黏附分子水平发生变化，这可能影响免疫细胞在内皮表面的停留、黏附和迁移行为。与此同时，细胞间连接受损和通透性增加意味着内皮屏障功能发生改变，CAR-T细胞跨越屏障的能力也可能随之变化。

![Transwell膜基底侧内皮屏障的优化](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/fdefd3f8ff966e9ea31744cfd32f8f24.jpg)

图3. Transwell膜基底侧内皮屏障的优化。a：左图为相差显微图像，右图为相差显微图像与Phalloidin-FITC荧光图像的叠加图，显示Transwell膜孔已被HUVEC覆盖。b：TNF-α处理后，Transwell上内皮细胞间黏附丧失（Phalloidin，绿色，1:400；ZO-1，红色，1:1000）。c：TNF-α刺激后，免疫荧光染色显示VCAM-1表达上调（左图，1:500）；同时，细胞形态表现为细胞体分离并呈细长状（右图，96孔板）。

图3中的结果从多个角度说明了内皮屏障状态变化。相差显微图像和Phalloidin-FITC荧光叠加图显示，Transwell膜孔能够被HUVEC覆盖，说明内皮层已经在膜结构上形成连续覆盖。TNF-α处理后，Phalloidin和ZO-1染色显示细胞骨架和细胞连接状态发生改变，内皮细胞间黏附丧失，这提示屏障紧密性降低。VCAM-1免疫荧光信号增强则进一步说明内皮细胞处于活化状态。对于CAR-T细胞迁移研究而言，这些变化非常关键，因为内皮屏障既是物理阻隔，也是免疫细胞黏附和穿越的重要调控界面。

## 五、灌流培养对内皮屏障完整性的影响

通透性检测和TEER检测结果显示，在灌流培养48小时后，内皮屏障完整性达到较高水平。研究中采用FITC-dextran测定表观渗透系数（Papp），并结合TEER监测内皮屏障完整性。Papp能够反映荧光标记分子通过内皮屏障的难易程度，数值变化可用于判断屏障通透性；TEER则从电阻角度评价细胞层完整性。两类指标相互补充，可以避免单一检测方法造成的判断偏差。

![通过FITC-dextran测定表观渗透系数（Papp）并监测跨内皮电阻（TEER）评价内皮屏障完整性](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/47786bec74a18933c5204d6a064529be.jpg)

图4. 通过FITC-dextran测定表观渗透系数（Papp）并监测跨内皮电阻（TEER）评价内皮屏障完整性。a.人IV型胶原包被Transwell膜可提高内皮屏障完整性。b.基底侧灌流和细胞接种方向均会影响内皮屏障完整性。c.HUVEC内皮屏障完整性具有时间依赖性，随接种后的培养时间而发生动态变化。

图4结果表明，人IV型胶原包被Transwell膜可以提高内皮屏障完整性，这说明胞外基质条件会影响HUVEC贴附、铺展和细胞间连接形成。结果还显示，基底侧灌流和细胞接种方向也会影响屏障完整性，提示动态流体条件并不是简单背景因素，而是器官芯片模型中的重要变量。HUVEC屏障完整性具有时间依赖性，随接种后培养时间变化而动态调整，这意味着模型建立时需要明确屏障成熟时间点，否则过早或过晚进行CAR-T迁移实验，都可能得到不同结果。对于需要标准化的体外药效评价模型而言，屏障成熟窗口的确认是后续实验可靠性的基础。

## 六、CAR-T细胞跨内皮迁移受多因素调控

研究进一步显示，CAR-T细胞能够跨越Transwell膜发生迁移，但其迁移能力受到内皮活化状态、趋化因子浓度和培养基灌流条件共同影响。趋化因子信号是免疫细胞定向迁移的重要驱动力，缺乏趋化因子或趋化梯度不足时，CAR-T细胞即使具备运动能力，也可能难以形成有效迁移方向。内皮屏障状态同样会影响迁移结果，静息状态和TNF-α活化状态下，内皮细胞黏附分子表达、细胞间连接和通透性均不同，因此CAR-T细胞在屏障上的黏附、停留和穿越效率也可能发生变化。

![免疫细胞跨越Transwell膜的迁移受内皮屏障表型和趋化因子信号传导的影响](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/de657c3bf58d56217bb1f5a13b510584.jpg)

图5. 免疫细胞跨越Transwell膜的迁移受内皮屏障表型和趋化因子信号传导的影响。a.灌流和HUVEC的培养均会影响免疫细胞的迁移率及其滞留程度。b.细胞因子刺激、灌流以及缺乏趋化因子信号均导致免疫细胞的基础回收率更低。

图5结果说明，灌流条件和HUVEC培养状态会同时影响免疫细胞迁移率及其滞留程度。动态灌流可能改变细胞所处的力学环境，也可能影响趋化因子分布、细胞停留时间和跨膜通行机会。细胞因子刺激、灌流以及缺乏趋化因子信号均会导致免疫细胞基础回收率降低，说明CAR-T细胞迁移并不是由单一因素决定，而是受到内皮表型、化学梯度和流体环境共同调控。这一点对实体瘤CAR-T研究很重要，因为实体瘤微环境中免疫细胞迁移障碍往往来自多因素叠加，而不是单一靶点问题。

## 七、跨内皮迁移后CAR-T细胞仍保持细胞毒作用

在细胞毒性评价中，CAR-T细胞诱导的肿瘤细胞死亡受到效应细胞与靶细胞比例（Effector-to-Target ratio，E:T）以及培养基灌流条件调控。研究结果显示，CAR-T细胞在完成跨内皮迁移后仍然保持细胞毒作用，但其杀伤效率低于直接接触靶细胞时的水平。这一结果符合实体瘤免疫治疗研究中的常见逻辑：CAR-T细胞本身可能具备靶向杀伤能力，但在实体瘤环境中，其到达靶细胞的过程会受到血管屏障和肿瘤微环境限制，因此最终药效不仅取决于CAR-T细胞识别能力，也取决于其迁移、浸润和局部存活状态。

![抗HLA-G CAR-T细胞对SK-MEL-5细胞的杀伤效率受基底侧灌流和内皮屏障限制的效应细胞相互作用调控](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12003223/684fb2c7a2df9026c6a1681451e41bd5.jpg)

图6. 抗HLA-G CAR-T细胞对SK-MEL-5细胞的杀伤效率受基底侧灌流和内皮屏障限制的效应细胞相互作用调控。a.癌细胞死亡速率取决于效应细胞与靶细胞比例（E:T）。b.在24h时，灌流培养可使较低E:T比例下仍产生细胞毒作用。c.跨越血管内皮屏障的迁移会影响癌细胞死亡速率，其作用取决于细胞因子处理。

图6进一步说明，癌细胞死亡速率与E:T比例相关，效应细胞数量越充足，通常越容易产生明显杀伤结果。但在灌流培养条件下，较低E:T比例下仍可观察到细胞毒作用，提示动态环境可能影响CAR-T细胞与靶细胞接触机会或作用过程。另一方面，跨越血管内皮屏障的迁移会降低癌细胞死亡速率，这说明内皮屏障不仅是模型结构的一部分，也是影响药效读数的重要变量。对于体外药效评价而言，如果只采用直接共培养方式，可能会高估CAR-T细胞在实体瘤中的作用表现；引入内皮屏障后，模型能够更完整地反映免疫细胞进入肿瘤区域前所受到的限制。

## 八、模型结论与技术价值

本研究构建了一种黑色素瘤器官芯片模型，体系中包含原代抗HLA-G CAR-T细胞、内皮细胞和肿瘤细胞，并在动态流体环境中复现CAR-T细胞免疫级联反应中的关键步骤。与传统二维共培养相比，该模型不仅观察终点杀伤结果，还纳入了血管内皮屏障、基底侧灌流、内皮活化状态和趋化因子信号等因素，因此更适合用于研究实体瘤场景下CAR-T细胞迁移和浸润受限的问题。

血管通透性实验表明，优化胞外基质包被方案并配合灌流培养，能够提升HUVEC屏障结构的完整性。基于荧光素酶的细胞毒性检测结果则显示，CAR-T细胞可以介导明显的肿瘤细胞裂解效应，但这种作用取决于E:T比例、基底侧灌流条件以及靶细胞抗原表达水平。研究还显示，经TNF-α处理和未处理的HUVEC在Transwell小室中均可形成屏障阻隔层，而与无屏障共培养体系相比，该结构会明显降低SK-MEL-5黑色素瘤靶细胞的裂解效率。这说明内皮屏障是影响实体瘤细胞治疗作用表现的重要环节，也是体外模型中不能忽略的变量。

从应用角度看，该器官芯片系统可作为贴合生理环境的临床前研究工具，用于CAR-T细胞在实体瘤中的迁移、跨内皮浸润、靶细胞识别和药效评估。它也可以用于比较不同CAR-T设计、不同趋化因子条件、不同内皮活化状态或不同灌流参数下的细胞行为差异。对于细胞治疗方案优化和安全性评价而言，这类模型的意义在于将药效评价从简单的“能否杀伤靶细胞”进一步推进到“能否在屏障存在和动态流体环境下到达靶细胞并发挥作用”。

## 九、总结

实体瘤CAR-T细胞疗法的体外评价需要同时关注免疫细胞迁移、血管内皮屏障、肿瘤微环境和细胞毒作用等多个环节。基于PhysioMimix系统构建的3D灌流黑色素瘤芯片模型，通过HUVEC内皮屏障、SK-MEL-5黑色素瘤细胞和抗HLA-G CAR-T细胞的组合，建立了一个可用于观察免疫细胞跨内皮迁移和肿瘤细胞杀伤的体外模型。研究结果显示，TNF-α可诱导内皮活化并改变屏障通透性，灌流条件和胞外基质包被会影响屏障完整性，趋化因子信号和内皮状态会共同调控CAR-T细胞迁移，而内皮屏障的存在会降低CAR-T细胞对黑色素瘤靶细胞的直接杀伤效率。

这一模型提示，实体瘤免疫治疗研究不能只依赖直接共培养体系评价终点杀伤效果，还需要将免疫细胞到达肿瘤区域前所经历的屏障和动态环境纳入分析。器官芯片技术为这一问题提供了更系统的体外建模思路，可以帮助研究者在临床前阶段更早识别迁移受限、屏障阻隔和微环境调控等影响因素。随着器官芯片、多细胞共培养和动态灌流模型不断完善，这类平台有望在细胞治疗药效评价、实体瘤模型构建和安全性研究中发挥更重要的作用。

> 本文基于CNBio公开研究资料及相关技术信息整理，用于器官芯片建模、肿瘤微环境重建、CAR-T细胞迁移与体外药效评估等方向的技术交流与实验设计参考。不同细胞来源、芯片结构、灌流参数和检测方法可能影响最终结果，实际应用前仍需结合具体实验条件进行验证。

摘要：器官芯片模型正在成为肿瘤免疫治疗临床前研究中的重要体外技术工具。本文围绕基于PhysioMimix系统构建的3D灌流黑色素瘤芯片模型，梳理其在血管内皮屏障重建、肿瘤微环境模拟、CAR-T细胞跨内皮迁移、肿瘤浸润和细胞毒性评价中的技术路线。该模型通过HUVEC内皮屏障、SK-MEL-5黑色素瘤细胞和抗HLA-G CAR-T细胞的组合，在动态灌流条件下复现免疫细胞进入肿瘤区域前后所经历的关键过程，可为实体瘤细胞治疗方案优化、体外药效评估和临床前安全性研究提供参考。

基于器官芯片的CAR-T细胞迁移与黑色素瘤药效评估模型解析|Organ-on-Chip

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应用科学家

数据库

3D灌流黑色素瘤芯片模型为CAR-T细胞治疗研究提供创新体外平台。该模型通过HUVEC内皮屏障、SK-MEL-5肿瘤细胞和抗HLA-G CAR-T细胞的动态共培养，模拟免疫细胞跨内皮迁移、肿瘤浸润及杀伤全过程。研究证实TNF-α刺激可改变内皮屏障通透性，灌流条件影响CAR-T迁移效率，为优化实体瘤免疫治疗方案提供重要参考。关键词：器官芯片、CAR-T疗法、黑色素瘤、肿瘤微环境、免疫治疗评估。

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